Рис. 4.20. Фотодетектор из HgCdTe для гетеродинного детектирования:

а - внешний вид прибора; 6 - форма чувствительных площадок

Глава 5 Лазерные локаторы с некогерентным детектированием сигнала

5.1. Лазерные локаторы с импульсным режимом излучения

1. Лазерный локатор GSFC для слежения из ИСЗ [73]. Лазерный локатор Центра космических полетов им. Годдарда (GSFC) *, созданный в США, предназначен для слежения за ИСЗ, снабженными уголковыми отражателями, и высокоточного измерения их координат.

* Goddard Space Flight Center.

Рис. 5.1. Опорно-поворотное устройство. Слева направо расположены: лазерный передатчик, приемный телескоп с фотодетектором и телескоп визуального сопровождения

Для экспериментов были разработаны надежный рубиновый лазерный передатчик, высокоточная система наведения лазерного излучения, приемное устройство с фотодетектором п электронная система управления и обработки результатов измерений. Лазерный передатчик представляет собой охлаждаемую водой лазерную головку с рубиновы.м активным элементом со схемой оптической развязки и десятикратным коллимирующим телескопом. Передатчик вместе с приемны.м телескопом диаметром 40 см смонтирован на опорно-поворотном устройстве радиолокационной станции зенитного комплекса «Nike-Ayaks» (рис. 5.1). Управление опорно-поворотным устройством осуществлялось в цифровой форме в соответствии с расчетными значениями параметров орбиты ИСЗ и данными визуальной коррекции. Синхронизатор, включавший в себя систему единого времени, контролировал работу лазерного передатчика и фиксировал момент времени, в который излучался зондирующий импульс. Измерение дальности осуществлялось быстродействующим счетчиком, работавшим с частотой 100 МГц. Синхронизатор управлял также работой устройств считывания информации и цифропе-чатающим устройством, выводившим информацию об угловом положении цели и дальности.

Лазерный локатор GSFC проходил испытания при работе по спутникам «Эксплорер-22. -27, -29», снабженным уголковыми отражателями. Блок уголковых отражателей представляет собой усеченную восьмигранную пирамиду диаметром 45 см. Видимая площадь блока уголковых отражателей составляет не менее 80 см пр.и

p<D- heme*

перфолента 53. Функцией

Ручная устаноОт

альная схема системы слежения:

/ - вычислитель; 2 - программное устройство; 3 - фотосчитыватель; 4 - система единого времени; 5 - цифроаналоговые преобразователи; 6 - привод угломестиой оси; 7 - привод азимутальной оси; 8 - датчик угломестиой оси; 9 - датчик азимутальной оси

наблюдении под углами не более 70° по отношению к оси ИСЗ. Каждый отдельный уголковый отражатель изготовлен из радиаци-онно-устойчивого отожженного кремния и имеет серебряное покрытие. Диаметр его около 2,5 см. Индикатрисса отраженного излучения для всего блока уголковых отражателей имела полуширину 10 по уровню 1/е.

Рассмотрим подробнее систему слежения лазерного локатора GSFC. Опорно-поворотное устройство радиолокационной станции «Nike-Ayaks» существенным образом переработано для того, чтобы на него можно было установить необходимую аппаратуру. С платформы угломестиой оси снято ненужное оборудование, а на шарниры угломестиой и азимутальной осей установлены семнадцатиразрядные датчики углов поворота. Кроме того, через шарнир азимутальной оси пропущен коаксиальный ввод системы охлаждения для лазерного передатчика. Функциональная схема системы слежения показана на рис. 5.2. С перфоленты через фотосчитыватель 3 или вручную с помощью тумблеров на лицевой панели в программное устройство 2 вводятся коды углового положения ИСЗ в начальный момент времени, а также заранее вычисленные параметры орбиты ИСЗ. По этим данным программное устройство производит вычисление кодов начальных углов поворота угломестиой и азимутальной осей опорно-поворотного устройства. Эти коды поступают в вычислитель 1, который преобразует их в цифровые сигналы управления, поступающие сначала на цифроаналоговые преобразователи 5, а затем на приводы 6 vl7 угломестиой и азимутальной осей опорно-поворотного устройства. Сигналы обратной связи, снимаемые с датчиков S и 9, поступают обратно в вычислитель, где вычисляется разность между угловым положением опорно-поворотного устройства, заданным программным устройством 2, и истинным положением, определяемым датчиками 8 w 9. Эта разность служит сигналом управления опорно-поворотным устройством.

Выставленная в начальное положение система слежения ожидает поступления сигнала от системы единого времени 4, разрешающего начало программного разворота опорно-поворотного устройства. Система единого времени 4 рассчитана на работу с тридцатишестиразрядным кодом единого времени NASA. С началом программного разворота код времени постоянно поступает в программное устройство, где на основе введенных вначале данных об элементах орбиты ИСЗ производится преобразование координат цели. Таким образом, производится программное слежение за ИСЗ.

В процессе экспериментов регистрировалась точность слежения и точность отработки управляющего воздействия приводами опорно-поворотного устройства. Было найдено; что точность отработки управляющего воздействия равна ±5-10- градуса по обеим осям. Что касается точности слежения, определяемой как разность между истинным угловым положением цели и угловым положением оси передатчика, то она оказалась равной около 0,1°. Такое значительное ухудшение точности слежения по сравнению с точностью отработки управляющего воздействия предположительно связано с ошибками совместной юстировки взаимного положения датчиков и оси передатчика, неточностями программного задания траектории, а такн<;е собственными ошибками датчиков.

Основой передающего устройства лазерного локатора GSFC служила лазерная головка с рубиновым активным элементом, работавшая в режиме модулированной добротности с частотой повторения 1 Гц. Активный элемент длиной 70 мм и диаметром 9,5 мм излучал энергию в пределах от 0,9 до 1,2 Дж в импульсе при длительности импульса 24...30 не и времени нарастания переднего фронта 5...8 НС. Модуляция добротности осуществлялась призмой полного внутреннего отражения, вращавшейся с частотой 24 000 об/мин, а также дополнительной оптической ячейкой, содержавшей раствор криптоцианина и метанола, которая выполняла роль пассивного затвора. Расходимость лазерного излучения на выходе лазерной головки составляла приблизительно 10" радиан. С помощью десятикратного телескопа Галилея расходимость уменьшалась до величины 1,2-10-3 радиан. Часть выходного излучения лазерй с помощью кварцевой пластинки, ориентированной под углом Брю-стера, отводилась на фотодиод. Сигнал с выхода фотодиода использовался, с одной стороны, для запуска счетчика измерения дальности, а с другой - для контроля выходной энергии лазерного импульса.

Особой проблемой являлась проблема синхронизации. Призма полного внутреннего отражения, обеспечивавшая модуляцию добротности, вращалась с частотой 24 000 об/мин, а импульс поджига лампы накачки поступал с частотой 1 Гц. Совпадение импульса поджига с моментом включения добротности резонатора обеспечивалось специальным датчиком, контролировавшим положение призмы полного внутреннего отражения. Чтобы в течение одного импульса накачки высвечивался только один импульс лазерного излучения, в резонатор вводилась оптическая ячейка с раствором криптоцианина. Она препятствовала генерации лазерных импульсов в начале и в конце импульса накачки. Коэффициент полезного действия лазера относительно энергии накачки составлял около 0,1%-

Приемный телескоп лазерного локатора GSFC кассегреновского типа имел диаметр 40 см и фокусное расстояние 762 см. В его фокальной плоскости размещалась ирисовая диафрагма, а за ней располагался интерференционный фильтр и фотоумножитель типа EMI-9558A. Перед диафрагмой могло вводиться специальное зеркало, отводившее излучение в тракт телескопа визуального сопро-

Строб-ампулы дальности

Рис. 5.3. Схема установки строб-импульса дальности:

/ - программное устройство; 2 -устройство контроля; J - регистр программного кода дальности; регистр считывания; 5 -реверсивный счетчик; 6 -регистр ручного задания кода дальности

вождения целей. Сигнал с фотоумножителя поступал на специальную пороговую схему, на выходе которой формировались электрические импульсы амплитудой 12 В и длительностью 8 не. Эти импульсы останавливали счетчик измерителя дальности. Чтобы уменьшить вероятность ложной тревоги, осуществлялось стробирование отраженных лазерных импульсов изменением величины порога в схеме. Установка строб-импульса дальности производилась с помощью схемы, показанной на рис. 5.3. Схема работает следующим образом. С перфоленты в программное устройство / вводятся начальное значение дальности и параметры орбиты ИСЗ. В процессе проводки цели в программное устройство поступает также код текущего времени. Программное устройство по этим данным производит вычисление кода дальности, который записывается в регистр программного кода дальности 5. Код дальности может быть записан также в регистре ручного задания кода дальности 6. Какой код будет использован, определяется режимом работы, задаваемым контрольным устройством 2 и реализуемым с помощью разрешающего импульса, подаваемого на регистры считывания 4. Разрешающий импульс формируется с помощью синхронизирующего сигнала частотой 1 Гц, который также определяет момент выстрела лазера. При подаче разрешающего импульса открывается один из двух регистров считывания 4, и код дальности устанавливает начальное положение реверсивного счетчика 5. В момент выстрела лазера формируется импульс счета, запускающий реверсивный счетчик 5, работающий с частотой 1 МГц. Когда на счетчике устанавливается число «-5», происходит генерация строб-импульса дальности.

Общая функциональная схема лазерного локатора GSFC показана на рис. 5.4. Измерение дальности осуществляется с помощью счетчика дальности И, который запускается импульсом, поступающим с фотодиода передатчика. Остановка счета производится импульсом, поступающим с устройства обработки сигнала 7. Счетчик

Матльше данные

Под попотеть

Программный

код дальности

Строб-импульс

дальности

\СтопСтарт Старт

Стоп

времена

[Задержки

дальности

Рис. 5.4. Функциональная схема лазерного локатора GSFC:

/ - программное устройство; 2 -датчики углов поворота осей; 5 -приводы; 4-приемный-телескоп; 5 - лазерный передатчик; 6 - устройство формирования строб-импульса дальности; 7 - фотодетектор и устройство обработки сигнала; 5 - синхронизатор; 9 -система единого времени; 10 - счетчик задержки; - счетчик дальности; 12 - регистрирующая аппаратура

дальности работает с частотой 100 МГц. Поскольку генерация лазерного импульса происходит с некоторой задержкой относительно синхронизирующего импульса с частотой следования 1 Гц для временной привязки измерений необходимо эту задержку измерять и регистрировать. Это делается с помощью счетчика задержки, запускаемого импульсом с фотодиода. В экспериментах задержка не превышала 11 мс и измерялась с точностью не хуже 100 мкс.

Предельная разрешающая способность при измерениях дальности определялась работой счетчика дальности и равнялась ±10нс или ± 1,5 м. Однако вследствие конечной длительности импульса лазера и ограниченного быстродействия фотоумножителя, разрешающая способность предположительно составляла около 30 не или 4,5 м в диапазоне уровней отраженного сигнала от 1 до 10* фотоэлектронов. Средняя квадратичная ошибка результатов измерения дальности была в пределах от 1,5 до 2 м.

2. Лазерный локатор ON ERA для слежения за аэродинамическими целями [91]. Лазерный локатор французского Национального Бюро Аэрокосмических Исследований (ONERA *) интересен тем, что в нем впервые была сделана попытка использовать оптимальный алгоритм для слежения за целью.

Oitfice National dEtudes et de Recherches Aerospatiales.